همه چیز در مورد فلز شیشه ای و کاربرد آن

همانطور که می‌دانید بیشتر فلزات ساختار اتمی منظم و بلورین دارند اما دسته‌ای از فلزات هستند که مانند شیشه‌ها ساختار اتمی نامنظم (آمورف) دارند که به آن‌ها فلز شیشه ای یا به انگلیسی metallic glass می‌گویند. این فلزات برخلاف شیشه‌‌ها از هدایت الکتریکی خوبی برخوردارند. روش‌های متنوعی برای تولید این نوع فلز از جمله پرتوافکنی یونی، واکنش حالت جامد، آلیاژ کاری مکانیکی و سرد کردن خیلی سریع وجود دارد. گفتنی است به تازگی فلزات شیشه‌ای تولید شده سه برابر بیشتر از آلیاژهای فلزی معمولی استحکام دارند.

تاریخچه فلز شیشه ای

در سال ۱۹۶۰ در مؤسسه فناوری کالیفرنیا نخستین فلز شیشه‌ای با آلیاژی از سیلیسیم و شیشه توسط روش سرد شدن سریع ساخته شد. این روش مانع تشکیل ساختارهای بلوری و منظم می‌شود. همچنین در ۱۹۶۹ با نرخ سرمایش بحرانی تقریبا پایین آلیاژی با ۷۷/۵ درصد پالادیوم، ۱۶/۵ درصد سیلیکون و ۶ درصد مس تولید شد. اچ. لیبرمن و سی. گراهام در ۱۹۷۶ برای تولید نوارهای نازک از فلزات شیشه‌ای، روش چرخ دوار سریع فوق سرد را اختراع کرد که از آلیاژی شامل آهن، برم، فسفر و نیکل استفاده نمود.

اوایل ۱۹۸۰ مت گلاس (Metglas) جهت تولید ترانسفورماتورهای فلزات شیشه‌ای تجاری‌سازی شد. همچنین در اوایل این دهه تولید شمش‌های شیشه‌ای با ضخامتی بیشتر و قطر ۵ میلی‌متری و دستیابی دانشگاه توهوکو و محققان موسسه فناوری کالیفرنیا  به نرخ سرمایش بحرانی پایین‌تر اتفاق افتاد. با  انجام تحقیقات بیشتر در دهه‌ی ۹۰ نرخ سرمایش بحرانی آلیاژها به به چند کلوین در ثانیه رسید. رویای ساخت فلزات شیشه‌ای کپه‌ای با ضخامت‌های بیشتر از طریق توسعه‌ی تحقیقات و مطالعات بیشتر دانشمندان به حقیقت پیوست.

استفاده از آلیاژهایی با ذرات مختلف روش دیگری برای کمک به تولید فلزات شیشه‌ای است. در این روش ذرات به سختی و آرامی مانع جهت‌گیری برای تشکیل ساختار بلورین می‌شوند و به همین دلیل ساختار ماده آمورف ایجاد می‌شود و این پدیده را اغتشاش می‌نامند. آلیاژ شیشه‌ای ویترلوی در دپارتمان انرژی ناسا و موسسه فناوری کالیفرنیا در ۱۹۹۲ جهت استفاده در صنعت هوایی توسعه یافت. فلزات شیشه‌ای کپه‌ای در سال ۲۰۰۴ در دانشگاه ویرجینیا و آزمایشگاه ملی اوک ریج تولید شدند. با توجه به خواص ویژه این دسته از فلزات همچنان تحقیقات و توسعه درباره‌ی آن‌ها ادامه دارد.

روش‌های ساخت فلز شیشه ‌ای

برای ساخت شیشه‌های فلزی روش‌های متفاوتی مانند کوئنچ از فاز بخار و رسوب الکتریکی و کوئنچ سریع از حالت مذاب وجود دارد.

 روش کوئنچ سریع از حالت مذاب: مذاب آلیاژ یا فلز در سرعت‌های بالا صورت می‌گیرد و برای خارج نمودن سریع حرارت، باید ماده دارای ضخامت کمی باشد تا بتوان سرعت‌های بالای کوئنچ را ایجاد کرد. Duwez و همکارانش برای تولید فلز شیشه ای، قطرات مذاب ذوب شده در یک بوته را در برابر اتمسفر محافظ و موج شوکی آکوستیکی ناگهانی قرار دادند. این موج باعث پودری شدن (اتمیزه شدن) و شتاب گرفتن قطرات اتمیزه شده با ابعاد میکرونی به سمت سطح سرد مس قرار گرفته در دمای محیط شد. در اصطلاح این روش را کوئنچ تفنگی می‌نامند. نخستین شیشه فلزی از آلیاژ طلا-سیلیسیم تولید شد.

روش دیگری به نام تکنیک پیستون-سندان توسط تیم Duwez به کار گرفته شد. در این روش قطرات ذوب شده پس از سقوط بین سطوح سندان و پیستون، با حرکت شتابدار پنوماتیکی پیستون، بر روی سندان کوبیده و پهن می‌شوند. با تکرار این عملیات ،لایه‌ی نازک ایجاد شده، بر اثر هدایت حرارتی سندان و پیستون منجمد می گردد. نمونه‌ی تولید شده به صورت فویل نازک با ضخامتی تقریبا یکنواخت بوده که برای بررسی‌های علمی مناسب است.

روش کوئنچ بخار و رسوب الکتریکی: در این روش جامدات آمورفی با خواص و ساختار فیزیکی مشابه با مذاب سریع منجمد شده به دست می‌آید. تولید فلزات شیشه‌ای با این روش به آلمان در دهه‌ی ۱۹۵۰برمی گردد که رسوب دادن اتم‌ها به صورت یک به یک بر روی سطح انجام می‌شود.

روش رسوب بخار شیمیایی (CVD): در این روش از گازهای فرار مانند کلریدهای فلزی، کربونیل‌های فلزی، فلوریدهای فلزی و … استفاده می‌شود. در واکنش گازها در محفظه‌ی واکنش، بخار فلز و یک جزء بخار ایجاد می‌شود که می‌توان بر روی سطح رسوب را بخار داد. از این تکنیک می‌توان برای تشکیل پوشش‌های آلیاژی آمورف بر روی سطوح استفاده کرد.

رسوب الکتریکی: این روش، به روش رسوب بخار شیمیایی شباهت دارد با این تفاوت که به جای اتم‌های فلزی، یون‌های فلزی وجود دارند. این یون‌ها به واسطه‌ی حل شدن نمک‌های فلزی در یک محلول آبی تشکیل می‌شوند. با عبور جریان الکتریکی از بین سلولی که این الکترولیت در آن قرار دارد، یون‌های فلزی بر روی آند رسوب و با ادامه این فرایند فیلمی بر روی آند ایجاد می‌شود. سالیان زیادی از این روش در آبکاری تجاری مانند مانند آبکاری نیکل استفاده شده ‌است.

خواص و کاربرد فلز شیشه ای

شیشه‌های فلزی از استحکام تسلیم بالایی برخوردارند که به خاطر این ویژگی برای تقویت تعدادی از زمینه‌های کامپوزیتی به شکل الیاف تقویت‌کننده، مانند تقویت بتن مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با قراردادن تنها چند درصد حجمی از الیاف شیشه فلزی در بتن، انرژی کل مورد نیاز برای شکستن آن به ۱۰۰ برابر افزایش پیدا می‎‌کند. همچنین استفاده از شیشه‌های فلزی برای تقویت کامپوزیت‌های زمینه پلیمری مانند تسمه‌ها در تایرهای رادیکال مورد توجه قرار گرفته است. توسط فرایند اسپین مذاب، الیاف شیشه فلزی آسان و با هزینه‌ای کم تولید می‌شود.

مدول الاستیک شیشه‌های فلزی شباهت زیادی با مقادیر مربوط به همتاهای کریستالی آن‌ها دارد.  همچنین سختی و میزان استحکام تسلیم شیشه‌های فلزی در برابر جامدات کریستالی قابل انعطاف مشابه بسیار بزرگتر است. شیشه‌های فلزی کاربردهای تجاری کمی به دلیل تافنس شکست پایین و تردی دارند. شیشه‌های فلزی در دمای نزدیک به دمای تبدیل شیشه، به مایع ذوب تبدیل می‌شوند.

شیشه‌های فلزی کاربردهای متنوعی دارند که در حال گسترش هستند:

• آلیاژهای لحیم کاری سخت
• مغناطیس نرم: در این کاربرد یا استفاده از آلیاژهای آمورف در هسته‌های ترانسفورماتور، اتلافات انرژی کاهش می‌یابد
• پوشش‌ها
• الیاف تقویت‌کننده
• کاربردهای مکانیکی